壓力容器的隔熱管托使用范圍廣、數量多、工作條件復雜,發生事故所造成的危害程度各不相同。危害程度與多種因素有關,如設計壓力、設計溫度、介質危害性、材料力學性能、使用場合和安裝方式等。危害程度愈高,壓力容器材料、設計、制造、檢驗、使用和管理的要求也愈高。因此,需要對壓力容器進行合理分類。
1.介質危害性
介質危害性指介質的隔熱管托、毒性、易燃性、腐蝕性、氧化性等,其中影響壓力容器分類的主要是毒性和易燃性。
(1)毒性
毒性是指某種化學毒物引起機體損傷的能力,用來表示毒物劑量與毒性反應之間的關系。毒性大小一般以化學物質引起實驗動物某種毒性反應所需要的劑量來表示。氣態毒物,以空氣中該物質的濃度表示。所需劑量的濃度愈低,表示毒性愈大。
設計壓力容器時,依據化學介質的最高容許濃度,中國將化學介質分為極度危害(Ⅰ
級)、高度危害(Ⅱ級)、中度危害(Ⅲ級)、輕度危害(Ⅳ級)等四個級別。隔熱管托所謂最高容許濃度是指從醫學水平上,認為對人體不會發生危害作用的最高濃度,以每立方米的空氣中含毒物的毫克數來表示,單位是mg/m3。一般劃分標準為:
極度危害(Ⅰ級) 最高容許質量濃度<0.1mg/m3;
高度危害(Ⅱ級) 最高容許質量濃度0.1~<1.0mg/m3;
中度危害(Ⅲ級) 最高容許質量濃度1.0~<10mg/m3;
輕度危害(Ⅳ級) 最高容許質量濃度≥10mg/m3。
介質毒性程度愈高,壓力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈嚴重,對材料選用、制造、檢驗和管理的要求愈高。如Q235-B鋼板不得用于制造毒性程度為極度或高度危害介質的壓力容器;盛裝毒性程度為極度或高度危害介質的容器制造時隔熱管托,碳素鋼和低合金鋼板應逐張進行超聲檢測,整體必須進行焊后熱處理,容器上的A、B類焊接接頭還應進行100%射線或超聲檢測,且液壓試驗合格后還得進行氣密性試驗。
而制造毒性程度為中度或輕度的容器,其要求要低得多。毒性程度對法蘭的選用影響也甚大,主要體現在法蘭的公稱壓力等級上,如內部介質為中度毒性危害,選用的管法蘭的公稱壓力應不小于1.0MPa;內部介質為高度或極度毒性危害,選用的管法蘭的公稱壓力應不小于1.6MPa,且還應盡量選用帶頸對焊法蘭等。
(2)易燃性
可燃氣體或蒸氣與空氣組成的混合物,并不是在任何比例下都可以燃燒或爆炸的,而是有嚴格的數量比例,且因條件的變化而改變。研究表明,當混合物中可燃氣體含量滿足完全燃燒條件時,則其燃燒反應最為劇烈。若其含量減少或增加,火焰燃燒速度則會降低,而當濃度低于或高于某一限度值時,就不再燃燒和爆炸。隔熱管托可燃氣體或蒸氣與空氣的混合物遇著火源或者一定的引爆能量就立即發生爆炸的濃度范圍稱爆炸濃度極限,爆炸時的最低濃度稱為爆炸下限,最高濃度稱為爆炸上限。
爆炸極限一般用可燃氣體或蒸氣在混合物中的體積分數來表示。爆炸下限小于10%,或爆炸上限和下限之差值大于等于20%的介質,一般稱為易燃介質,如隔熱管托、甲烷、乙烷、乙烯、氫氣、丙烷、丁烷等。易燃介質包括易燃氣體、液體和固體。壓力容器盛裝的易燃介質主要指易燃氣體和液化氣體。
易燃介質對壓力容器的選材、設計、制造和管理等提出了較高的要求。易燃介質壓力容器的所有焊縫(包括角焊縫)均應采用全焊透結構等。
2. 壓力容器分類
世界各國規范對壓力容器分類的方法各不相同,本節著重介紹中國《固定式壓力容器安全技術監察規程》中的分類方法。
(1)按壓力等級分類
按承壓方式分類,壓力容器可分為內壓容器與外壓容器。隔熱管托及內壓容器又可按設計壓力(p)大小分為四個壓力等級,具體劃分如下:
低壓(代號L)容器 0.1MPa≤p<1.6MPa;
中壓(代號M)容器 1.6MPa≤p<10.0MPa;
高壓(代號H)容器 10MPa≤p<100MPa;
超高壓(代號U)容器 p≥100MPa。
外壓容器中,當容器的內壓力小于一個絕對大氣壓(約0.1MPa)時又稱為真空容器。
(2)按容器在生產中的作用分類
根據壓力容器在生產工藝過程中的作用,可分為反應壓力容器、換熱壓力容器、分離壓力容器、儲存壓力容器4種。具體劃分如下。
① 反應壓力容器(代號R) 主要是用于完成介質的物理、化學反應的壓力容器,如隔熱管托、反應器、反應釜、聚合釜、高壓釜、合成塔、蒸壓釜、煤氣發生爐等。
② 換熱壓力容器(代號E) 主要是用于完成介質熱量交換的壓力容器。如管殼式余熱鍋爐、熱交換器、冷卻器、冷凝器、蒸發器、加熱器等。
③ 分離壓力容器(代號S) 主要是用于完成介質流體壓力平衡緩沖和氣體凈化分離的壓力容器。如分離器、過濾器、集油器、緩沖器、干燥塔等。
④ 儲存壓力容器(代號C,其中球罐代號B) 主要是用于儲存、盛裝氣體、液體、液
化氣體等介質的壓力容器。如隔熱管托、液氨儲罐、液化石油氣儲罐等。
在一種壓力容器中,如同時具備兩個以上的工藝作用原理時,應按工藝過程中的主要作用來劃分品種。
(3)按安裝方式分類
根據安裝方式可分為固定式壓力容器和移動式壓力容器。
① 固定式壓力容器 指有固定安裝和使用地點,工藝條件和操作人員也較固定的壓力容器。如生產車間內的隔熱管托、臥式儲罐、球罐、塔器、反應釜等。
② 移動式壓力容器 指由罐體或者大容積氣瓶與行走裝置或者框架采用永久性連接組成的運輸設備,包括鐵路罐車、汽車罐車、長管拖車、罐式集裝箱和管束式集裝箱等。移動式壓力容器需要考慮運輸時的慣性力、液體的晃動,因而在結構、使用和安全方面均有其特殊的要求。
具有裝卸介質功能,僅在裝置或者場區內移動使用,不參與鐵路、公路或者水路運輸的壓力容器不屬于移動式壓力容器。
(4)按安全技術管理分類
上面所述的幾種分類方法僅僅考慮了壓力容器的某個設計參數或使用狀況,還不能綜合反映壓力容器面臨的整體危害水平。例如儲存易燃或毒性程度中度及以上危害介質的壓力容器,隔熱管托其危害性要比相同幾何尺寸、儲存毒性程度輕度或非易燃介質的壓力容器大得多。
壓力容器的危害性還與其設計壓力p 和全容積V 的乘積有關,pV 值愈大,則容器破裂時爆炸能量愈大,危害性也愈大,對容器的設計、制造、檢驗、使用和管理的要求愈高。
為此,綜合考慮設計壓力、容積、介質危害程度、容器在生產中的作用、材料強度、容器結構等因素,《壓力容器安全技術監察規程》將所適用范圍內的壓力容器分為三類,即第一類壓力容器、第二類壓力容器和第三類壓力容器。
使用過程中發現,該分類方法重點不突出,對于多功能壓力容器,由于難以界定哪個功能在生產中起主要作用,易造成類別劃分時意見不統一。同時,隔熱管托隨著材料科學、制造技術的進步,材料強度、容器結構等已不再是影響容器危險程度高低的主要因素。
針對上述問題,為使分類簡單唯一,中國《固定式壓力容器安全技術監察規程》根據介質、設計壓力和容積等三個因素進行壓力容器分類,將所適用范圍內的壓力容器分為第Ⅰ類壓力容器、第Ⅱ類壓力容器和第Ⅲ類壓力容器,現介紹其分類方法。
① 介質分組 壓力容器的介質為氣體、液化氣體、介質最高工作溫度高于或者等于其標準沸點的液體,按其毒性危害程度和爆炸危險程度分為兩組。
ⅰ. 第一組介質:毒性危害程度為極度危害、高度危害的化學介質,易爆介質,液化氣體。
ⅱ. 第二組介質:除第一組介質以外的介質。
介質毒性危害程度和爆炸危險程度按GBZ230 《職業性接觸毒物危害程度分級》、HG20660 《壓力容器中化學介質毒性危害和爆炸危險程度分類》兩個標準確定。兩者不一致時,以危害(危險)程度高的為準。
② 壓力容器分類 壓力容器分類應當先按照介質特性,隔熱管托選擇相應的分類圖,再根據設
計壓力p (單位MPa)和容積V (單位m3),標出坐標點,確定容器類別。
ⅰ. 對于第一組介質,壓力容器的分類見圖1-2。
坐標點位于圖1-2或者圖1-3的分類線上時,按較高的類別劃分;容積小于25L或者內直徑(對非圓形截面,指寬度、高度或者對角線,如矩形為對角線、橢圓為長軸)小于150mm的小容積壓力容器,都劃為第Ⅰ類壓力容器;GBZ230和HG20660兩個標準中沒有規定的介質,應當按其化學性質、危害程度和含量綜合考慮,由隔熱管托及壓力容器設計單位決定介質組別。
由于各國的經濟政策、技術政策、工業基礎和管理體系的差異,壓力容器的分類方法也互不相同。采用國際標準或國外先進標準設計壓力容器時,應采用相應的分類方法。
例如,歐盟97/23/EC 《承壓設備指令》,根據允許工作壓力、最大允許工作溫度下的蒸氣壓力、介質危害性、幾何容積或公稱尺寸、用途等因素,綜合確定承壓設備的危害程度,將承壓設備分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類,并給出相應的材料、設計、制造和檢驗要求。
又如1993年頒布的日本JISB8270 《壓力容器(基礎標準)》,依據設計壓力和介質危害性將壓力容器分成3個等級:第三類壓力容器的等級最低,適用范圍為設計溫度不低于0℃,設計壓力小于1MPa;第二類壓力容器的設計壓力小于30MPa;而第一類壓力容器的設計壓力一般應小于100MPa。但是,如果對隔熱管托材料、制造、檢驗等提出特殊要求,設計壓力高于100MPa的壓力容器也可歸入第一類容器。
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